郭蘭芬 王金龍 劉曉明 魏瓊花
（河鋼集團(tuán)邯鋼公司）
摘要：對(duì)邯鋼近四年的燒結(jié)礦低溫還原粉化指標(biāo)（RDI+3.15 與相對(duì)應(yīng)的化學(xué)成分、堿度和配礦結(jié)構(gòu)等進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和研究，得出燒結(jié)礦的RDI+3.15與FeO、R2有較強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，精粉配比的增加可以改善燒結(jié)礦的低溫還原粉化性能。通過(guò)對(duì)燒結(jié)礦低溫還原粉化試驗(yàn)前后的顯微組織進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)燒結(jié)礦經(jīng)過(guò)低溫還原后產(chǎn)生裂紋粉化的區(qū)域與赤鐵礦關(guān)系密切,但不同形態(tài)的赤鐵礦產(chǎn)生裂紋的程度不同，尤其是骸形晶赤鐵礦裂紋縱橫交錯(cuò),嚴(yán)重影響燒結(jié)礦的粉化指標(biāo)。
關(guān)鍵詞：燒結(jié)礦；粉化因素；研究
0 前言
邯鋼高爐入爐原料中燒結(jié)礦比例占70% ~80%，燒結(jié)礦質(zhì)量的好壞直接影響高爐生產(chǎn)的穩(wěn)定順行。燒結(jié)礦的低溫還原粉化性能（RDI）是爐料下降到400?600℃區(qū)間時(shí)[1]受煤氣還原作用產(chǎn)生不同程度粉化現(xiàn)象的指標(biāo)，粉化嚴(yán)重時(shí)影響高爐透氣性，破壞爐況順行，對(duì)高爐有較大影響。有資料顯示[2]，燒結(jié)礦低溫還原粉化指數(shù)（RDI+3.15）提高5%，高爐產(chǎn)量提高1.5%，焦比降低1.55%，因此改善燒結(jié)礦低溫還原粉化指標(biāo)對(duì)高爐生產(chǎn)有重大意義。
近幾年，邯鋼老區(qū)煉鐵部的燒結(jié)礦低溫還原粉化指標(biāo)RDI+3.15較低，且波動(dòng)較大，平均為65%，影響高爐料柱的透氣性，給高爐操作帶來(lái)了困難。為了尋找影響燒結(jié)礦低溫還原粉化指標(biāo)的各種因素，進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、燒結(jié)杯試驗(yàn)和對(duì)燒結(jié)礦微觀結(jié)構(gòu)的分析，找到了提高燒結(jié)礦RDI+3.15的途徑，用于指導(dǎo)燒結(jié)生產(chǎn)。
1燒結(jié)礦化學(xué)成分與RDI的影響研究
根據(jù)近幾年邯鋼燒結(jié)使用的原料條件情況，收集并整理了 300余項(xiàng)燒結(jié)礦低溫還原粉化指標(biāo)以及對(duì)應(yīng)的化學(xué)成分，用Minitab軟件做燒結(jié)礦RDI與對(duì)應(yīng)成分的散點(diǎn)圖，分析其關(guān)系。
1.1 燒結(jié)礦FeO含量對(duì)RDI的影響
1.1.1 數(shù)據(jù)分析
應(yīng)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件分析得出燒結(jié)礦RDI+3.15隨FeO含量的變化趨勢(shì)，如圖1所示。
從圖1可以看出，燒結(jié)礦的FeO含量在5. 8%-10.9%時(shí)，隨著FeO含量的升高，RDI +3.15呈明顯增加趨勢(shì)。
1.1.2 燒結(jié)礦不同F(xiàn)eO含量對(duì)RDI+3.15影響的試驗(yàn)
根據(jù)圖1分析可知，燒結(jié)礦FeO含量是影響RDI的主要因素之一，為了確保數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，利用燒結(jié)杯試驗(yàn)研究了燒結(jié)礦FeO含量對(duì)RDI的影響，主要采取調(diào)整燒結(jié)焦粉配比來(lái)調(diào)整燒結(jié)礦中的FeO含量，試驗(yàn)結(jié)果見表1，焦粉配加量與RDI+3.15 的關(guān)系如圖2所示。
從表1和圖2可以看出，隨著焦粉配加量和燒結(jié)礦FeO含量的增加，燒結(jié)礦低溫還原粉化指數(shù)RDI+3.15顯著上升，由53. 36%上升至68.53%。這說(shuō)明FeO含量越高則還原粉化性能改善，F(xiàn)eO越低則還原粉化性加重，屬顯著因素。這是因?yàn)殡S著焦粉配比的增加，燒結(jié)過(guò)程中燒結(jié)溫度升高,高溫保持時(shí)間延長(zhǎng)，燒結(jié)礦中FeO含量升高，液相增多，燒結(jié)礦強(qiáng)度增加；但是，隨燒結(jié)礦中FeO含量的增加，燒結(jié)礦還原性降低，故根據(jù)實(shí)際情況FeO含量適量即可。
1.2 燒結(jié)礦中SiO2和CaO對(duì)RDI+3.15的影響
應(yīng)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件分析得出燒結(jié)礦RDI +3.15上隨SiO2和CaO含量的變化趨勢(shì)，分別如圖3、圖4 所示。
從圖3、圖4可以看出，燒結(jié)礦中的SiO2含量在4.5%-5.5%時(shí)，隨著SiO2含量的升高，RDI+3.15略呈增加趨勢(shì)，但變化不大，趨勢(shì)不明顯；燒結(jié)礦中CaO含量在8. 7% ~ 11. 5%時(shí)，隨著CaO含量的升高，RDI+3.15有明顯增加趨勢(shì),屬顯著因素。
1.3 燒結(jié)礦中MgO和Al2O3對(duì)RDI的影響
應(yīng)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件分析得出燒結(jié)礦RDI+3.15隨MgO和Al2O3含量的變化趨勢(shì)，分別如圖5、圖6所示。
從圖5可以看出，燒結(jié)礦中MgO含量在1.5% -2.2%時(shí)，隨著MgO含量的升高，RDI +3.15有增加趨勢(shì)，屬次顯著因素。其原因[3]是Mg2 +進(jìn)人磁鐵礦晶格中取代Fe2+，并填充于八面體空位中，從而降低了磁鐵礦的晶格缺陷程度，穩(wěn)定了磁鐵礦，防止或減輕其氧化再生赤鐵礦,從而抑制了燒結(jié)礦的低溫還原粉化。
從圖6可以看出，隨著Al2O3含量的升高，邯鋼燒結(jié)礦RDI+3.15變化不明顯，為非顯著因素。
1.4 燒結(jié)礦中S和TiO2對(duì)RDI的影響
應(yīng)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件分析得出燒結(jié)礦RDI+3.15隨S和TiO2含量的變化趨勢(shì)，分別如圖7、圖8所示。
從圖7、圖8可以看出，隨著S含量的升高，RDI +3.15的變化不明顯，圖中略顯增加趨勢(shì)，為非顯著因素；TiO2的大多數(shù)值小于0.18%, 隨著TiO2含量的升高，RDI +3.15趨勢(shì)線呈平緩直線，幾乎沒有變化,說(shuō)明邯鋼原料TiO2值的波動(dòng)對(duì)RDI+3.15影響較小，為非顯著因素。
2燒結(jié)礦的堿度對(duì)RDI的影響研究
2.1燒結(jié)礦堿度與RDI+3.15趨勢(shì)分析
應(yīng)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件分析得出燒結(jié)礦RDI+3.15隨堿度的變化趨勢(shì)，如圖9所示。
從圖9可以看出，燒結(jié)礦中的堿度在1.72% ~2.25%時(shí)，隨著堿度的升高，RDI +3.15趨勢(shì)明顯增加，屬顯著因素。
2.2 不同堿度燒結(jié)礦的顯微結(jié)構(gòu)分析
根據(jù)燒結(jié)礦的堿度、還原粉化指數(shù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及礦物組織的分析,找出不同堿度范圍的RDI+3.15平均值與礦物組織結(jié)構(gòu)的變化。將燒結(jié)礦堿度分為四個(gè)區(qū)間，分別是 1.7 ~1.79、1.8 ~1.89、1.9 ~ 1.99.2-2.2，不同堿度范圍的RDI變化趨勢(shì)如圖10所示。
從圖10可以看出,隨著堿度的提高，RDI+315的平均值幾乎呈直線上升。將堿度為1.7和2.0時(shí)的燒結(jié)礦進(jìn)行顯微組織分析對(duì)比，其主要顯微結(jié)構(gòu)如圖11所示(圖中，灰白色為磁鐵礦，灰色為鐵酸鈣，亮白色為赤鐵礦，暗灰色為玻璃相；黑色為孔洞)。
從圖11可以看出，燒結(jié)礦的堿度不同，主要顯微結(jié)構(gòu)不同，生成的液相也不同，隨著堿度的升高，其礦物組成發(fā)生了明顯變化,交織熔蝕組織增多，斑粒狀組織減少,鐵酸鈣粘結(jié)相增多，骸形晶赤鐵礦減少。堿度為2.0的燒結(jié)礦，主要顯微結(jié)構(gòu)是磁鐵礦與鐵酸鈣緊緊相連形成的交織熔蝕結(jié)構(gòu)，磁鐵礦晶粒細(xì)小、呈渾圓狀它形晶,磁鐵礦被鐵酸鈣熔蝕充分,兩者之間有較大的接觸面和摩擦力，鑲嵌牢固，并且厚壁塊狀結(jié)構(gòu)增多，提高了燒結(jié)礦的強(qiáng)度。無(wú)論從數(shù)據(jù)上還是燒結(jié)礦的微觀結(jié)構(gòu)上看，適當(dāng)提高堿度能抑制燒結(jié)礦低溫還原粉化。生產(chǎn)時(shí)，建議考慮燒結(jié)產(chǎn)能平衡的同時(shí),適當(dāng)提高燒結(jié)礦堿度，以改善燒結(jié)礦的低溫還原粉化指標(biāo)。
3精礦比例對(duì)RDI+3.15的影響
3.1鐵精粉配比與RDI+3.15的趨勢(shì)分析
應(yīng)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件分析得出燒結(jié)礦RDI+3.15隨精粉和礦粉配比的變化趨勢(shì)，分別如圖12、圖13所示。
從圖12、圖13可以看出，隨著精粉配加量的增加，進(jìn)口礦的減少，燒結(jié)礦低溫還原粉化指標(biāo)是增加趨勢(shì)。隨著國(guó)內(nèi)精粉配加量的提高，燒結(jié)礦RDI+3.15有所改善。但由于精粉過(guò)多會(huì)惡化燒結(jié)料層透氣性,降低燒結(jié)生產(chǎn)率，實(shí)際配比應(yīng)全面考慮。
3.2不同比例精粉的試驗(yàn)
按現(xiàn)有的燒結(jié)配料結(jié)構(gòu)和指標(biāo)要求，配加不同比例的秘魯精粉，進(jìn)行燒結(jié)杯試驗(yàn)研究。燒結(jié)混合料按照二元堿度2. 15進(jìn)行配料，料層厚度為700 mm，燒結(jié)點(diǎn)火時(shí)間1.5 min，點(diǎn)火負(fù)壓為6 kPa，燒結(jié)負(fù)壓為12 kPa，燒結(jié)冷卻結(jié)束后,對(duì)燒結(jié)餅進(jìn)行單輻破碎、落下、粒度組成、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度等一系列燒結(jié)礦指標(biāo)檢驗(yàn)。試驗(yàn)方案和主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別見表3、表 4。
從表3、表4可以看岀，方案1與基準(zhǔn)相比，配加了 3%的秘魯精粉，減少3%的智利礦粉，并相應(yīng)調(diào)整了巴卡和巴混的配比；方案2與方案1相比，配加了 6%的秘魯精粉，減少3%的巴混礦粉。方案1的轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度略高于基準(zhǔn)，方案1的成品率比基準(zhǔn)提高了 1.8%；方案2的轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度最低，但滿足燒結(jié)礦的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，方案2的成品率比基準(zhǔn)提高了 1%，但略低于方案10從低溫還原粉化指標(biāo)看，方案2高于方案1，高于基準(zhǔn)，也就是說(shuō)隨著精粉率的增加，低溫還原粉化指標(biāo)明顯增加。
3.3 燒結(jié)配不同比例精粉的試驗(yàn)分析
隨著精粉配加量的增加，燒結(jié)礦低溫還原粉化指標(biāo)進(jìn)而改善。其主要原因是國(guó)內(nèi)精粉多為磁鐵礦(Fe3O4)，由于其在高溫處理時(shí)氧化放熱，給燒結(jié)高溫帶中增加熱量,為形成液相創(chuàng)造了條件；另一個(gè)原因是部分Fe3O4被還原，形成FeO，其中FeO易與脈石形成低熔點(diǎn)化合物，可燒性良好，當(dāng)其參加燒結(jié)生產(chǎn)時(shí)，使得混合料中FeO含量的增加，在燒結(jié)過(guò)程中液相量增加，提高了燒結(jié)礦的強(qiáng)度。
對(duì)三個(gè)方案的燒結(jié)礦做微觀組織顯微分析。觀察發(fā)現(xiàn):
(1)基準(zhǔn)全礦粉燒結(jié)顯微結(jié)構(gòu)，主要鐵相為磁鐵礦注要粘結(jié)相鐵酸鈣發(fā)育較充分，主要以板柱狀形態(tài)存在，枝狀少量存在；原生赤鐵礦含量較多約占17%，大多以自形半自形晶存在，以玻璃相粘結(jié)形成赤鐵礦斑晶;再生赤鐵礦含量約占6%，氣孔或試樣邊緣較多赤鐵礦形成骸形晶；氣孔含量豐富。(2)方案1和方案2配精粉的燒結(jié)礦顯微結(jié)構(gòu)，主要鐵相為磁鐵礦，主要粘結(jié)相鐵酸鈣發(fā)育充分，與基準(zhǔn)相比鐵酸鈣存在形態(tài)有變化，主要以針狀或枝狀存在,板柱狀少量存在;原生赤鐵礦含量減少，存在形態(tài)有的以玻璃相粘結(jié)形成赤鐵礦斑晶組織，有的赤鐵礦較致密以大顆粒存在;再生赤鐵礦多數(shù)以自形半自形晶存在,骸形晶少見。(3)從不同比例精粉配比的顯微鑒定分析，雖然三種方案試樣存在的礦物相同，但鐵酸鈣和赤鐵礦存在形態(tài)不同，精粉比例增加,雖然存在再生赤鐵礦，但顆粒狀的赤鐵礦還原時(shí)對(duì)燒結(jié)礦的破壞較小。此外，磁鐵礦含量增多，還原減弱，裂紋擴(kuò)展過(guò)程的能量亦減弱?？梢姡瑹Y(jié)礦中FeO含量的升高，在燒結(jié)過(guò)程中可以減少Fe2O3生成，抑制冷卻過(guò)程中晶格轉(zhuǎn)變而造成的體積膨脹，提高了 RDI+3.15值。
綜上所述，燒結(jié)杯試驗(yàn)無(wú)論是從轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度和低溫還原粉化指標(biāo)還是從燒結(jié)礦顯微組織分析，燒結(jié)配料適當(dāng)增加精粉配比有利于改善燒結(jié)礦的低溫還 原粉化指標(biāo)。
4燒結(jié)礦RDI的顯微結(jié)構(gòu)影響因素分析
4.1 燒結(jié)礦粉化前后試驗(yàn)與顯微鑒定
選取邯鋼老區(qū)一燒車間的燒結(jié)礦，將燒結(jié)礦破碎篩分，制成10 ~ 12. 5 mm粒級(jí)的燒結(jié)礦試驗(yàn)樣品，將其在(105 ±5)℃下干燥2 h。選擇8個(gè)10-12.5 mm粒級(jí)的燒結(jié)礦試樣，將選擇的燒結(jié)礦試樣手動(dòng)制成光片,在顯微鏡下對(duì)其進(jìn)行礦物組織分析,試樣的顯微組織如圖14所示。選取制備好的10 -12. 5 mm粒級(jí)的燒結(jié)礦試樣稱量500 g(包括已分析完畢的8個(gè)試樣)，根據(jù)國(guó)標(biāo)做燒結(jié)礦低溫還原粉化試驗(yàn)。在試驗(yàn)結(jié)束后的試樣中找尋原制成光片的試樣，對(duì)其表面磨拋?zhàn)鲲@微分析，具體如圖15所示。
從圖14可以看出，該燒結(jié)礦主體組織為它形晶磁鐵礦與鐵酸鈣形成交織熔蝕及熔蝕組織，鐵酸鈣發(fā)育充分，但形態(tài)存在一定差異,有粗大枝狀，有細(xì)小針狀，有板柱狀，次粘結(jié)相為玻璃相和硅酸二鈣。次要組織為斑粒狀組織，含量較少。礦樣中分布有若干大顆粒磁鐵礦。燒結(jié)礦中赤鐵礦含量較多，原生赤鐵礦有的以大顆粒狀存在，有的以玻璃相粘結(jié)形成赤鐵礦斑晶，部分小顆粒狀存在交織熔蝕組織內(nèi)部；再生赤鐵礦有的以自形、半自形晶存在，大部分尺寸約為100 μm，邊緣或氣孔豐富區(qū)域可見發(fā)育成骸形晶，尺寸約300μm。
從圖14、圖15可以看出，燒結(jié)礦經(jīng)過(guò)還原粉化試驗(yàn)后，與原試樣對(duì)比，其中以它形晶磁鐵礦與鐵酸鈣形成交織熔蝕及熔蝕組織結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化，磁鐵礦為主要組織的結(jié)構(gòu)變化也較小，主要是赤鐵礦變化較明顯;致密的原生赤鐵礦晶粒間已出現(xiàn)較多細(xì)小裂紋；以玻璃相粘結(jié)的赤鐵礦晶粒局部出現(xiàn)裂紋；再生赤鐵礦大部分發(fā)生粉化已經(jīng)找不到原來(lái)圖像位置，尤其是骸形晶數(shù)量減少，即使可見，自身變化特別大，產(chǎn)生較多裂紋，并且裂紋延伸到周圍的組織中。
4.2燒結(jié)礦低溫還原粉化后礦相結(jié)果分析
通過(guò)對(duì)燒結(jié)礦低溫還原粉化前后的顯微鑒定變化對(duì)比，發(fā)現(xiàn)交織熔蝕和熔蝕組織無(wú)明顯變化，主要產(chǎn)生裂紋的區(qū)域與赤鐵礦關(guān)系密切，但不同類型的赤鐵礦產(chǎn)生裂紋的程度不同。原生致密大顆粒赤鐵礦，晶粒上出現(xiàn)較多細(xì)小裂紋，還原氣體沿著細(xì)小裂紋進(jìn)一步與赤鐵礦反應(yīng)，逐漸增多，速度加快，形成縱橫交錯(cuò)的裂紋,最終造成破碎粉化；以玻璃相粘結(jié)的原生赤鐵礦斑晶組織，部分較大晶粒出現(xiàn)細(xì)小裂紋，對(duì)燒結(jié)礦還原粉化有一定影響，但影響有限，小顆粒原生赤鐵礦還原后變應(yīng)力比較小，不易產(chǎn)生裂紋，對(duì)燒結(jié)礦還原粉化影響較?。辉偕噼F礦經(jīng)過(guò)低溫還原后表面可見條狀粗大裂紋，并向周圍組織延伸，縱深較廣，如果再通過(guò)外界的擠壓振動(dòng)后，很容易碎裂，造成粉化，有的試樣邊緣部分原有的再生赤鐵礦已不可見，說(shuō)明沒有經(jīng)過(guò)周圍環(huán)境影響就已經(jīng)粉化，尤其是骸形晶赤鐵礦，低溫還原后，數(shù)量明顯減少，即使可見，表面裂紋寬且長(zhǎng)，說(shuō)明再生赤鐵礦尤其是骸形晶對(duì)燒結(jié)礦低溫還原粉化有較大影響。
燒結(jié)礦低溫還原后出現(xiàn)不同形態(tài)的裂紋，主要原因是赤鐵礦在還原時(shí)發(fā)生晶格變化，體積膨脹約20%[4]，從而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,使燒結(jié)礦粉化，尤其是骸晶狀赤鐵礦，多數(shù)分布在礦樣邊緣且氣孔豐富，還原氣體與赤鐵礦容易接觸,還原膨脹擴(kuò)展迅速，使晶粒周圍形成一層多裂紋、強(qiáng)度差的碎裂帶致使燒結(jié)礦粉化率嚴(yán)重增加。
5 結(jié)論
(1) 通過(guò)統(tǒng)計(jì)處理軟件分析邯鋼燒結(jié)礦化學(xué)成分與低溫還原粉化指標(biāo)的關(guān)系，其中FeO、CaO和堿度是顯著因素，MgO是次顯著因素，SiO2>Al2O3，S和TiO2影響不顯著。
(2) 試驗(yàn)表明，堿度和FeO含量的多少是邯鋼燒結(jié)礦低溫還原粉化指標(biāo)的主要影響因素。
(3) 適當(dāng)增加精粉配比可以改善燒結(jié)礦低溫還原粉化指標(biāo)。但由于精粉過(guò)多，會(huì)惡化燒結(jié)料層透氣性，降低燒結(jié)生產(chǎn)率,實(shí)際配比應(yīng)全面考慮。
(4) 從機(jī)理研究影響燒結(jié)礦低溫還原粉化率的組織結(jié)構(gòu)變化。顯微分析，產(chǎn)生裂紋的區(qū)域與赤鐵礦關(guān)系密切，但不同類型的赤鐵礦產(chǎn)生裂紋的程度不同，骸形晶對(duì)燒結(jié)礦低溫還原粉化最為嚴(yán)重。
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